图形引擎

图形引擎的基础架构知识梳理，包括引擎层、资源层、核心系统层、独立平台层、第三方插件SDK（API）等等。

游戏引擎

• 引擎层
  • 游戏专用子系统
  • 图形
  • 动画
  • 物理及碰撞
  • 音效
  • 脚本
  • 人体学接口设备
  • 多人/网络
  • 性能剖析调试
  • 功能组件
    • 功能组件
      • 图形
        • 渲染管线
        • 光照
          • 法线：反正光的方向
          • 光源：平行光、点光源、聚光灯、
          • 镜面着色
          • 能量守恒
          • PBS PBR：基于物理着色
        • 网格
          • 三维空间中，构成这些三角面的点以及三角形的边的集合就是Mesh 建模就是建网格。
          • 网格过滤器
          • 网格渲染器
          • 文本渲染器
          • 蒙皮网格渲染器
        • 着色器
        • 粒子系统
          • 使用大量小物体的组合来模拟一些伪3D视觉效果的系统
        • 图形API支持
          • DirectX
          • OpenGL-OpenGL ES-WebGL
          • Vulkan
          • Metal
        • 摄像机
          • 就是人的眼睛，即显示器显示出来的内容。包括位置、指向、
        • 模型导入
          • 重点可能在于兼容性。将已有模型导入渲染引擎
        • 纹理
        • 材质
        • 环境与天空
          • 预制环境
        • 其他
      • 动画
        • 动画导入
          • 应该是说从DCC工具导入
        • 重定向
          • 方便美术把一个动作文件复用到其他骨架上,动捕也是这个逻辑
        • 骨骼动画
          • 就是蒙皮（应用最多），与之相对还有刚性动画、逐顶点（暴力，无法用于实时）
        • 布娃娃物理
          • 在蒙皮骨骼中加入了物理引擎，优化骨骼动画（学了十年动画的朋友那种情况）
      • 物理及碰撞
        • 布娃娃物理
        • 刚体
        • 碰撞体
        • 连续碰撞检测
        • 关节
      • 音效
      • 脚本
      • 人体学接口设备
      • 多人在线、网络
      • 性能剖析测试
        • 录像及回放
        • 内存及性能管理
• 资源层
  • 三维模型
  • 纹理资源
  • 材质资源
  • 字体资源
  • 骨骼资源
  • 碰撞资源
  • 物理参数
  • 地图资源
  • 其他
• 核心系统层
  • 数学库
  • I/O ？
  • 内存分配
  • 随机数生成
  • 语法分析器
  • 影片播放器
  • 断言
  • 模块启动与终止
• 独立平台层
  • 平台检测
  • 文件系统
  • 集合及迭代器
  • 网络传输层
  • 高分辨率时钟
  • 线程库
  • 图形包裹类
  • 物理、碰撞包裹类
• 第三方插件SDK（API）
  • DirectX；OpenGL；Metal；Vulkan
  • PhysX；Havok；bullet
  • Boost++
  • Kynapse
  • 动画相关SDK
  • Euphoria
  • Wwise；Fmod
• 操作系统
  • Windows；XBOXONE；MacOS；Linux；IOS；Andriod；WebGL;......
• 关键点在于跨硬件平台数量、开发难度、调用硬件的效率、耦合等
• 大多数着色器是针对GPU开发的，可以使用着色器语言对其编程。构成最终图像的像素、顶点、纹理，它们的位置、色相、饱和度、亮度、对比度也都可以利用着色器中定义的算法进行动态调整。调用着色器的外部程序，也可以利用它向着色器提供的外部变量、纹理来修改这些着色器中的参数。在电影后期处理、计算机成像、电子游戏等领域，着色器常被用来制作各种特效。
• 渲染管线高度依赖所使用的软件和硬件，不存在所谓的通用渲染管线
• 这是一个由CPU主要负责的阶段，且完全由开发人员掌控。在这个阶段，CPU将决定递给GPU什么样的数据（譬如渲染目标场景中的灯光、场景的模型、摄像机的位置），有时候还会对这些数据进行处理（譬如只递给GPU可以被摄像机看见的元素，其他不可见的元素被剔除（culling）出去），并且告诉GPU这些数据的渲染状态（譬如纹理、材质、着色器等）。
• 光栅化阶段
  • 图元组装（三角形设置）：顶点连线
  • 三角形遍历 T Traversal 检验像素是否被三角形覆盖，被覆盖区域生成片元 Fragment。这一阶段需要给出判定(完全覆盖、中心点、沾到）另外需要抗锯齿（如多重采样）
  • 片元着色器（fragment shader）：或称像素着色器（pixel shader） ：为么一个片元计算颜色，这是可编程阶段，可以自己计算，也可以用纹理采样、法线贴图、高度糙度图等。本过程仅影响单个片元
  • 逐片元操作（per-fragment operations) DX中叫Output-merge；对每个片元以某种形式合并，得到屏幕上像素显示的颜色。
    • 测试Test：OpenGL中有裁剪测试、透明度测、模板测试、深度测试 （本阶段高度可配置）
    • 合并 Merge
• 几何阶段
  • （CPU）放入内存
  • 内存转入显存GPU
  • Draw Call-通常Batching提高效率
  • 顶点着色器Vertex Shaders
    • GPU执行模型转化与相机转换
      • 相机转换：指确定摄像机位置以得出GPU输出呈现结果
      • 模型转化：空间转换 为了便于计算，将原点合并，便于GPU加速
      • 坐标变换：修改顶点坐标（动画常用）
      • 逐顶点色彩信息处理：计算每个顶点的光照信息、阴影信息，为着色提供信息
  • 曲面细分着色器
    • 曲面细分可以在原有图元内加入更多顶点，可以让曲面圆润or为后面贴图置换展现细节更丰富的模型
  • 几何着色器
    • 开发者可以对GPU对顶点进行增删改操作
  • 投影
    • GPU将前述三维空间投射在2维平面来让人查看
      • 透视投影
      • 正交投影
  • 裁剪
    • 主要是GPU把摄像机看不到的点剔除
  • 屏幕映射
    • 把裁剪后的xyz坐标投射到1920*1080的屏幕上
• 应用阶段
  • 剔除
    • 视锥体剔除
    • 层级剔除
    • 遮挡剔除
  • 设置渲染顺序
  • 打包数据
  • 调用SetPass Call\Draw Call
• 渲染管线 Render Pipeline
  • 渲染管线主要流程为CPU将数据导入GPU，GPU批处理batching最后导出渲染后的图像
  • 应用阶段 由CPU负责处理
  • 几何阶段 GPU控制
  • 光栅化阶段